10. Особенности технологии получения литейных алюминиевых сплавов.

ЛКинетика процесса наводороживания алюминиевых распла­вов лимитируется массопереносом водорода в жидком металле, через поверхностную оксидную плену и в газовой среде. Наибо­лее существенное влияние на массоперенос оказывает состав спла­ва и содержание неметаллических включений, определяющих про­ницаемость оксидной плены и диффузионную подвижность во­дорода. На проницаемость плены существенное влияние оказы­вает также состав газовой среды.

Диффузионную подвижность водорода в алюминии уменьша­ют медь, кремний, магний, марганец и титан. Наиболее активно действуют три последних элемента. Сильно замедляют диффузи­онную подвижность тонкодисперсные неметаллические включе­ния, обладающие высокой адсорбционной способностью по от­ношению к водороду.

Плена оксида алюминия обладает малой проницаемостью для атомов водорода, она замедляет реакции взаимодействия распла­ва с влагой атмосферы. При толщине плены 1 мкм газообмен между металлом и атмосферой практически прекращается. Все элементы, увеличивающие окисляемость алюминия (Mg, Li, Na, Sr, Ca), увеличивают проницаемость оксидной плены для водо­рода. Медь, цинк и кремний мало влияют на газообмен.

На водородопроницаемость оксидной плены существенно вли­яет состав атмосферы над расплавом. Проницаемость плены зна­чительно увеличивается, если в газовой среде присутствуют С1₂, С₂С1₆, BF₄, SiF₄, фреоны и другие галогениды. Хлориды, обладая высоким сродством к алюминию, проникают под оксидную пле­ну и разрушают ее в результате образования газообразного хло­рида алюминия. Фториды менее активно взаимодействуют с алю­минием, но они способствуют дегидратации оксидной плены и десорбции молекул и атомов кислорода. В результате высокой адсорбционной способности фториды занимают освобождающи­еся активные центры на плене и создают оксифторидные комп­лексы типа A1₂0₂F₂, которые прекращают доступ кислорода и па­ров воды к расплаву, делая плену тонкой и проницаемой для во­дорода. Жидкие флюсы, содержащие фториды, также разрушают оксидную плену и облегчают дегазацию расплавов.

Растворенный водород, выделяясь при кристаллизации рас­плавов, вызывает образование газовой и газоусадочной пористо­сти в отливках. С увеличением концентрации водорода в распла­ве газовая пористость отливок возрастает.

Водород в зависимости от содержания и химического состава сплава по-разному может влиять на микроструктуру и свойства заэвтектических силуминов.

Содержание водорода в алюминиевых расплавах в производ­ственных условиях методом Дарделла—Гудченко (по выделению первого пузырька газа) или методом вакуумной экстракции твер­дого образца. Пористость отливок оценивают обычно по пяти-бальной шкале, разработанной ВИАМ (Всероссийский институт авиационных материалов) (рис. 52). Между содержанием водоро­да, пористостью отливок и плотностью сплава существует взаи­мосвязь, которая для сплава АК9ч (АЛ4) приведена ниже:

Балл пористости

по шкале ВИАМ I II III IV V

Содержание газов,

см³/100 г 0,3...0,4 0,4...0,65 0,65.-1,0 1,0...1,3 1,3...2,6

Плотность сплава,

г/см³ 2,652...2,669 2,652...2,658 2,642...2,645 2,632...2,640 2,556...2,589

Предрасположенность алюминиевых сплавов к газовой пори­стости определяется не абсолютным содержанием газа в распла­ве, а количеством газа, выделяющегося при кристаллизации (С_ж~ С_т), где С_ж — содержание газа в расплаве; С_т — содержание газа в твердом сплаве. Объем выделившегося газа зависит от степени пересыщения твердого раствора газом CJS^, где 5_т — равновесная растворимость газа в твердом сплаве. Чем больше степень пере­сыщения, тем меньше разность (С_Ж~С_Т), тем менее вероятно об­разование газовых пор.

Степень пересыщения твердых растворов увеличивается с по­вышением скорости охлаждения. Поэтому при литье в кокили предрасположенность к образованию газовой пористости значи­тельно ниже, чем при литье в песчаные формы.

Для каждого сплава существуют предельные концентрации водорода, ниже которых в отливках при заданных скоростях ох­лаждения газовые поры не образуются. Так, для того чтобы пре­дотвратить образование газовых пор в отливках из сплава алюми­ния с 7 % Si при литье в песчаные формы, необходимо, чтобы содержание водорода в расплаве не превышало 0,15 см³/100 г. Предельным содержанием водорода в сплаве Д16 считается 0,12...0,18 см³/100 г в зависимости от интенсивности охлаждения при кристаллизации.

Содержание оксидных включений и растворенных газов в алю­миниевых расплавах возрастает по мере увеличения времени вы дерЖКИ в плавильных и раздаточных печах. Особенно вредна ЫД⁶Р^{жка во влажнои} атмосфере. Максимальная скорость плав­ки и минимальная длительность выдержки расплавов в печи пе-оед разливкой являются необходимыми условиями повышения {«х чистоты. В этом отношении особый интерес приобретает тех­нология плавки в газовых отражательных печах с применением кислорода. Кроме значительного повышения скорости плавле­ния (в 1,5 раза) и снижения потерь металла (на 25 %), примене­ние кислорода способствует снижению пористости отливок.

Алюминиевые расплавы предохраняют от окисления и насы­щения водородом ведением плавки в вакууме, атмосфере инерт­ных газов, в воздушной среде, содержащей фториды, примене­нием покровных флюсов при плавке в слабоокислительной ат­мосфере, защитным легированием. Наиболее эффективными из перечисленных способов защиты являются плавки в вакууме и в среде защитных газов. Однако эти способы плавки недостаточно высокопроизводительны и дороги. Поэтому в производственных условиях для защиты расплавов от взаимодействия с газовой сре­дой широко используют покровные флюсы. Ниже приведен со­став покровных флюсов:

Номер Состав флюса, % Назначение

флюса

1. 45 NaCl; 55 КО Для большинства сплавов,

2. 37 NaCl; 50 КО; 6,6 Na^F^; 6,4 CaF2. кроме алюминиевомагниевых

3. 42...46 NaCl; 43...47 КО; 15...7 NajAlFj Для деформируемых сплавов,

4. 100 MgClj-KCl Для алюминиевомагниевых

5. 85 MgCl₂-KCl; 15 CaF₂ сплавов

6. 85 MgCh-KCl; 15 MgF₂

7. 55...60 КО; 45...40 Lid Для алюминиеволитиевых

сплавов

При плавке большинства алюминиевых сплавов, содержащих не более 1 % Mg, в качестве покровного флюса используют смесь хлоридов натрия и калия (45 % NaCl и 55 % КС1) в количестве 1—2 % от массы шихты. Состав флюса соответствует твердому раствору с минимальной температурой плавления 650 °С. Флюс хорошо смачивает оксид алюминия и расплав. Рекомендуется и более сложный по составу флюс.

Для алюминиевомагниевых сплавов, содержащих более 1 % Mg, в качестве защитного флюса используют карналлит (MgCl₂KCl) и смесь карналлита с 10...15 % фтористого кальция Или фтористого магния, так как флюс из хлоридов натрия и ка лия плохо смачивает оксид магния. Недопустимо применение флю. сов, содержащих фториды натрия, так как обогащение алюмина. евомагниевых расплавов натрием существенно ухудшает техно­логические свойства этих сплавов. Если применить флюс нельзя защиту от окисления осуществляют введением в сплав бериллия (0,001...0,005 %). Защитные флюсы широко используют при плав, ке сплавов в отражательных печах. При выплавке небольших пор. ций литейных сплавов в тигельных печах защитные флюсы, как правило, не применяют.

Для предотвращения взаимодействия с влагой принимают меры к удалению ее из футеровки плавильных печей и разливочных устройств, рафинирующих и модифицирующих флюсов: подвер­гают прокалке и окраске плавильно-разливочный инструмент, производят подогрев, очистку и сушку шихтовых материалов.

Несмотря на тщательную защиту расплавов при плавке на воз­духе, они всегда обогащаются неметаллическими включениями и водородом и перед заливкой в формы требуют очистки.